本发明涉及光干涉计量测试领域，特别是一种使用棱镜分光的共光路点衍射同步移相干涉测试装置。
背景技术：
：：点衍射干涉仪（pointdiffractioninterferometer，pdi）是smartt在1972年提出的，其基本原理为带有被测信息的会聚波通过一个直径约为数个波长（小于艾里斑直径）的小孔之后，会发生衍射，形成一个近似标准的球面波，可作为干涉测试中的参考光，用来代替传统干涉仪中由标准球面镜产生的参考球面波。移相干涉测量技术是指通过对干涉场的调制产生移相，再由所采集到的若干幅移相干涉图像利用一定算法，恢复待测物理量的一项测量技术。利用移相技术，可以通过干涉图之间简单的点对点计算来复原相位，不需要定位条纹中心，也不需要利用插值等算法拟合相位，因此移相干涉技术显著提高了干涉测量的精度和自动化程度。移相方式可以分为时域移相和空域移相。相对于时域移相，空域移相（即同步移相）的干涉测量技术可以很好的减轻环境振动和空气扰动对干涉测量的影响，提高测量的准确性和稳定性。在先前的研究中，robertm.neal和jamesc.wyant提出了一种基于偏振移相的点衍射干涉测量装置（robertm.nealandjamesc.wyant,"polarizationphase-shiftingpoint-diffractioninterferometer,"appl.opt.45,3463-3476(2006)），该装置利用偏振方法来分开参考光和测试光，具有结构紧凑、易于装调的优点。该装置中对点衍射板进行了重新设计，可使参考光和测试光具有正交的偏振态，用线偏振器移相。不过该装置的偏振移相并不是同时产生的，特别是高速测量中会产生较大误差。在先前的研究中，daodangwang等人提出了一种利用光纤实现点衍射干涉的测量方法（daodangwang,xixichen,yangboxu,fuminwang,mingkong,junzhao,andbaowuzhang,"high-nafiberpoint-diffractioninterferometerforthree-dimensionalcoordinatemeasurement,"opt.express22,25550-25559(2014)），该方法将参考光和测试光耦合进光纤中，并通过光纤出射参考波面与测试波面相干涉获得干涉图像。该装置优点在于光纤在光纤中传输可以有效减少环境振动和空气扰动的影响，但该方法的移相需要通过放置在被测镜后面的pzt实现，因此会产生较大的移相误差，且无法实现高速测量。在先前的研究中，natant.shaked提出了一种基于点衍射干涉仪的相位显微镜（natant.shaked,"quantitativephasemicroscopyofbiologicalsamplesusingaportableinterferometer,"opt.lett.37,2016-2018(2012)）。该方法的干涉结构是一个基于迈克尔逊干涉仪的4f系统，因此参考光与测试光相互分开。相对于共光路的干涉系统，该方法容易受到环境振动和空气扰动的影响，出现测量误差。技术实现要素：本发明目的在于提供一种使用棱镜分光的共光路点衍射同步移相干涉测试装置，通过小孔衍射产生的标准球面波代替传统干涉仪中由标准球面镜产生的标准球面波，具有更高的精度，共光路的设计减少了系统误差，且本发明不易受到外界环境影响，可实现高速动态测量。实现本发明目的的技术解决方案为：一种使用棱镜分光的共光路点衍射同步移相干涉测试装置，包括测试光路、4f系统光路、分光光路和移相光路，所述测试光路包括共光轴依次设置的激光器、扩束系统和偏振分束镜，被测样品设置在扩束系统和偏振分束镜之间，激光器出射的非偏振光，经扩束系统扩束准直后入射至被测样品，携带被测样品信息的信号光入射至偏振分束镜，经偏振分束镜获得两束偏振方向正交的信号光，分别为s光和p光，分别进入4f系统光路。所述4f系统光路包括沿s光光路走向依次设置的第一傅里叶透镜、第一反射镜、线偏振小孔衍射板、第二反射镜和第二傅里叶透镜，线偏振小孔衍射板设置在第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜的焦点处，s光入射至第一傅里叶透镜，同时p光入射至第二傅里叶透镜，s光透射过第一傅里叶透镜后入射至第一反射镜，被第一反射镜反射后，经线偏振小孔衍射板衍射得到标准球面波，作为参考光，入射至第二反射镜，被第二反射镜反射后，入射至第二傅里叶透镜，透射过第二傅里叶透镜后变为平行光，入射至偏振分束镜；p光透射过第二傅里叶透镜后入射至第二反射镜，被第二反射镜反射后，经线偏振小孔衍射板，其性质不改变，作为测试光，入射至第一反射镜，被第一反射镜反射后，入射至第一傅里叶透镜，透射过第一傅里叶透镜后变为平行光，入射至偏振分束镜，参考光和测试光经偏振分束镜合束后，进入分光光路，经分光光路后分为四束，进入移相光路。所述移相光路包括共光轴依次设置的缩束系统、偏振阵列和探测器，四束合束的参考光和测试光经缩束系统缩束后，入射至偏振阵列，偏振阵列由四个通光轴方向分别为0°、45°、90°和135°的线偏振器呈“田”字型排列组成，分别产生0、π/2、π和3π/2的移相，之后被探测器接收，获得四幅移相干涉图像。所述分光光路包括λ/4波片、第一分光棱镜组、第二分光棱镜组和第三分光棱镜组，第一分光棱镜组包括第一三角棱镜、第二三角棱镜和第三三角棱镜，第二三角棱镜和第三三角棱镜形状、大小完全相同，第二三角棱镜和第三三角棱镜的两条长直角边所在的矩形面紧密贴合，两条短直角边所在的矩形面共面，第一三角棱镜的斜边所在的矩形面上靠近长直角边的一侧开有凹槽，第三三角棱镜的斜边所在的矩形面与第一三角棱镜的斜边所在的矩形面开有凹槽的一侧紧密贴合，所述凹槽长度小于第三三角棱镜的斜边长度；第二分光棱镜组包括第四三角棱镜、第五三角棱镜和第六三角棱镜，第三分光棱镜组包括第七三角棱镜、第八三角棱镜和第九三角棱镜，第二分光棱镜组和第三分光棱镜组的形状、大小与第一分光棱镜组完全相同；第一分光棱镜组中第二三角棱镜的短直角边所在的矩形面与第二分光棱镜组中第四三角棱镜的短直角边所在的矩形面紧密贴合；第一分光棱镜组中第三三角棱镜的短直角边所在的矩形面与第三分光棱镜组中第七三角棱镜的短直角边所在的矩形面紧密贴合。所述第一分光棱镜组中第一三角棱镜的长直角边所在的矩形面镀有高反膜，第二三角棱镜所在的矩形面与第三三角棱镜长直角边所在的矩形面之间夹有一层半透半反膜；第二分光棱镜组中第四三角棱镜的长直角边所在的矩形面镀有高反膜，第五三角棱镜所在的矩形面与第六三角棱镜长直角边所在的矩形面之间夹有一层半透半反膜；第三分光棱镜组中第七三角棱镜的长直角边所在的矩形面镀有高反膜，第八三角棱镜所在的矩形面与第九三角棱镜长直角边所在的矩形面之间夹有一层半透半反膜。所述合束后的参考光和测试光透过λ/4波片后，变为正交的圆偏光，从第一分光棱镜组中第一三角棱镜的短直角边所在的矩形面入射后，在第一三角棱镜的斜边产生全内反射，在镀有高反膜的第一三角棱镜的长直角边发生反射，从第一三角棱镜的斜边凹槽出射，经过空气层后从第三三角棱镜的斜边入射，一部分光透射过第二三角棱镜和第三三角棱镜长直角边之间的半透半反膜，在第二三角棱镜的斜边发生全内反射，从第二三角棱镜的短直角边出射；另一部分光被第二三角棱镜和第三三角棱镜长直角边之间的半透半反膜反射，在第三三角棱镜的斜边发生全内反射，从第三三角棱镜的短直角边出射；从第二三角棱镜出射的光从第四三角棱镜的短直角边入射后，在第四三角棱镜的斜边产生全内反射，在镀有高反膜的第四三角棱镜的长直角边发生反射，从第四三角棱镜的斜边凹槽出射，经过空气层后从第六三角棱镜的斜边入射，一部分光透射过第五三角棱镜和第六三角棱镜长直角边之间的半透半反膜，在第五三角棱镜的斜边发生全内反射，从第五三角棱镜的短直角边出射；另一部分光被第五三角棱镜和第六三角棱镜长直角边之间的半透半反膜反射，在第六三角棱镜的斜边发生全内反射，从第六三角棱镜的短直角边出射；从第三三角棱镜出射的光从第七三角棱镜的短直角边入射后，在第七三角棱镜的斜边产生全内反射，在镀有高反膜的第七三角棱镜的长直角边发生反射，从第七三角棱镜的斜边凹槽出射，出射经过空气层后从第九三角棱镜的斜边入射，一部分光透射过第八三角棱镜和第九三角棱镜长直角边之间的半透半反膜，在第八三角棱镜的斜边发生全内反射，从第八三角棱镜的短直角边出射；另一部分光被第八三角棱镜和第九三角棱镜长直角边之间的半透半反膜反射，在第九三角棱镜的斜边发生全内反射，从第九三角棱镜的短直角边出射。所述第三三角棱镜与第一三角棱镜的相似比为1:2。本发明和现有技术相比，其显著优点：(1)在本发明的4f系统光路中，s光和p光经过的路径完全相同，减少了环境振动和空气扰动产生的测量误差。(2)没有使用光栅元件，可以达到很高的光能利用率，对比度高。(3)使用分光棱镜组实现对入射光的对称等光程分光，具有很高的匹配精度，适用于高速动态测量。(4)利用小孔衍射产生标准球面波的精度可达到λ/10000以上，同时降低了成本。(5)测试光路在干涉仪前端，还可方便进行一些特殊物体的测量。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。附图说明图1为本发明使用棱镜分光的共光路点衍射同步移相干涉测试光路结构示意图。图2为本发明特殊设计的分光棱镜示意图，其中（a）为第一分光棱镜组结构示意图；（b）为第二分光棱镜组结构示意图；（c）为第三分光棱镜组结构示意图。具体实施方式结合图1，一种使用棱镜分光的共光路点衍射同步移相干涉测试装置，包括测试光路17、4f系统光路18、分光光路19和移相光路20。结合图1，所述测试光路17包括共光轴依次设置的激光器1、扩束系统2和偏振分束镜4，被测样品3设置在扩束系统2和偏振分束镜4之间。激光器1出射的非偏振光，经扩束系统2扩束准直后入射至被测样品3，携带被测样品3信息的光入射至偏振分束镜4，经偏振分束镜4获得两束偏振方向正交的信号光，两束光分别为s光和p光，分别进入4f系统光路18。所述测试光路17在本发明提出的干涉测试装置前端，除可测量光学元件以外，还可方便进行一些特殊物体的测量。结合图1，所述4f系统光路18包括沿s光光路走向依次设置的第一傅里叶透镜5、第一反射镜7、线偏振小孔衍射板9、第二反射镜8和第二傅里叶透镜6，其中线偏振小孔衍射板9设置在第一傅里叶透镜5和第二傅里叶透镜6的焦点处。s光入射至第一傅里叶透镜5，同时p光入射至第二傅里叶透镜6。s光透射过第一傅里叶透镜5后会聚，入射至第一反射镜7，被第一反射镜7反射后，入射至线偏振小孔衍射板9，由于线偏振小孔衍射板9的通光轴与p光偏振方向一致，小孔直径小于艾里斑直径，因此s光入射到小孔衍射板9上后，衍射得到标准球面波，作为参考光，然后入射至第二反射镜8，被第二反射镜8反射后，入射至第二傅里叶透镜6，透射过第二傅里叶透镜6后变为平行光，入射至偏振分束镜4；p光透射过第二傅里叶透镜6后会聚，入射至第二反射镜8，被第二反射镜8反射后，入射至线偏振小孔衍射板9，由于线偏振小孔衍射板9的通光轴与p光偏振方向一致，p光性质不改变，作为测试光，然后入射至第一反射镜7，被第一反射镜7反射后，入射至第一傅里叶透镜5，透射过第一傅里叶透镜5后变为平行光，入射至偏振分束镜4，参考光和测试光经偏振分束镜4合束后，进入分光光路19，经分光光路19后分为四束，进入移相光路20。由于参考光和测试光的偏振方向正交，所以不产生干涉现象。所述4f系统光路18实现了s光和p光经过的路径完全相同，减少了环境振动和空气扰动产生的测量误差，且通过小孔衍射产生标准球面波的精度可达到λ/10000以上。结合图1和图2，所述分光光路19包括λ/4波片10、第一分光棱镜组11、第二分光棱镜组12和第三分光棱镜组13。第一分光棱镜组11包括第一三角棱镜21、第二三角棱镜22和第三三角棱镜23，第二三角棱镜22和第三三角棱镜23形状、大小完全相同，第二三角棱镜22和第三三角棱镜23的两条长直角边所在的矩形面紧密贴合，两条短直角边所在的矩形面共面，第一三角棱镜21的斜边所在的矩形面上靠近长直角边的一侧开有凹槽，第三三角棱镜23的斜边所在的矩形面与第一三角棱镜21的斜边所在的矩形面开有凹槽的一侧紧密贴合，所述凹槽长度小于第三三角棱镜23的斜边长度。第二分光棱镜组12包括第四三角棱镜24、第五三角棱镜25和第六三角棱镜26，第三分光棱镜组13包括第七三角棱镜27、第八三角棱镜28和第九三角棱镜29，第二分光棱镜组12和第三分光棱镜组13的形状、大小与第一分光棱镜组11完全相同。第一分光棱镜组11中第二三角棱镜22的短直角边所在的矩形面与第二分光棱镜组12中第四三角棱镜24的短直角边所在的矩形面紧密贴合，第一分光棱镜组11中第三三角棱镜23的短直角边所在的矩形面与第三分光棱镜组13中第七三角棱镜27的短直角边所在的矩形面紧密贴合。结合图1和图2，所述第一分光棱镜组11中第一三角棱镜21的长直角边所在的矩形面镀有高反膜，第二三角棱镜22所在的矩形面与第三三角棱镜23长直角边所在的矩形面之间夹有一层半透半反膜；第二分光棱镜组12中第四三角棱镜24的长直角边所在的矩形面镀有高反膜，第五三角棱镜25所在的矩形面与第六三角棱镜26长直角边所在的矩形面之间夹有一层半透半反膜；第三分光棱镜组13中第七三角棱镜27的长直角边所在的矩形面镀有高反膜，第八三角棱镜28所在的矩形面与第九三角棱镜29长直角边所在的矩形面之间夹有一层半透半反膜。结合图1和图2，合束后的参考光和测试光透过λ/4波片10后，变为正交的圆偏光，从第一分光棱镜组11中第一三角棱镜21的短直角边所在的矩形面入射后，在第一三角棱镜21的斜边产生全内反射，在镀有高反膜的第一三角棱镜21的长直角边发生反射，从第一三角棱镜21的斜边凹槽出射，经过空气层后从第三三角棱镜23的斜边入射，一部分光透射过第二三角棱镜22和第三三角棱镜23长直角边之间的半透半反膜，在第二三角棱镜22的斜边发生全内反射，从第二三角棱镜22的短直角边出射；另一部分光被第二三角棱镜22和第三三角棱镜23长直角边之间的半透半反膜反射，在第三三角棱镜23的斜边发生全内反射，从第三三角棱镜23的短直角边出射；从第二三角棱镜22出射的光从第四三角棱镜24的短直角边入射后，在第四三角棱镜24的斜边产生全内反射，在镀有高反膜的第四三角棱镜24的长直角边发生反射，从第四三角棱镜24的斜边凹槽出射，经过空气层后从第六三角棱镜26的斜边入射，一部分光透射过第五三角棱镜25和第六三角棱镜26长直角边之间的半透半反膜，在第五三角棱镜25的斜边发生全内反射，从第五三角棱镜25的短直角边出射；另一部分光被第五三角棱镜25和第六三角棱镜26长直角边之间的半透半反膜反射，在第六三角棱镜26的斜边发生全内反射，从第六三角棱镜26的短直角边出射；从第三三角棱镜23出射的光从第七三角棱镜27的短直角边入射后，在第七三角棱镜27的斜边产生全内反射，在镀有高反膜的第七三角棱镜27的长直角边发生反射，从第七三角棱镜27的斜边凹槽出射，出射经过空气层后从第九三角棱镜29的斜边入射，一部分光透射过第八三角棱镜28和第九三角棱镜29长直角边之间的半透半反膜，在第八三角棱镜28的斜边发生全内反射，从第八三角棱镜28的短直角边出射；另一部分光被第八三角棱镜28和第九三角棱镜29长直角边之间的半透半反膜反射，在第九三角棱镜29的斜边发生全内反射，从第九三角棱镜29的短直角边出射。结合图2，所述第三三角棱镜23与第一三角棱镜21的相似比为1:2。所述分光光路19还可以采用现有技术实现。可利用棱镜分光技术，如利用直角棱镜与分光棱镜的组合等；或可利用光栅分光技术，如利用棋盘光栅等。所述分光光路19中没有使用光栅元件，因此可以达到很高的光能利用率。所述第一分光棱镜组11、第二分光棱镜组12和第三分光棱镜组13的组合实现了对入射光的对称等光程分光，获得的四束出射光可同时到达探测器16，因此适用于高速动态测量。且四束出射光均平行于光轴，无需再利用其他光学元件准直，具有很高的匹配精度。结合图1，所述移相光路20包括共光轴依次设置的缩束系统14、偏振阵列15和探测器16，四束合束的参考光和测试光经缩束系统14缩束后，入射至偏振阵列15，偏振阵列15由四个通光轴方向分别为0°、45°、90°和135°的线偏振器呈“田”字型排列组成，分别产生0、π/2、π和3π/2的移相，之后被探测器16接收，获得四幅移相干涉图像。将通过本发明所述的使用棱镜分光的共光路点衍射同步移相干涉测试装置获得的四幅移相干涉图像，利用一定的移相算法，如四步移相法或哈里哈兰法等，可重构出被测相位。本发明提供一种使用棱镜分光的共光路的点衍射同步移相干涉测试装置，可产生精度达到λ/10000以上的标准球面波作为参考光。共光路的设计可有效减少环境振动和空气扰动带来的测量误差。并且使用特殊设计的分光棱镜，除线偏振小孔衍射板外没有使用其他衍射元件，具有很高的光能利用率。适用于透射及反射元件的高速动态测量。当前第1页12当前第1页12